JP2014216171A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】屋外の温度が氷点下のような低温時でも、燃料電池システム内を流れる水の凍結を防止し、水配管が破損することなく運転できる。
【解決手段】水経路のうち少なくとも一部である凍結防止部は、ブロワ７の空気吸入口８と略水平あるいは鉛直上方に配置され、燃料処理器２の底面は、凍結防止部よりも鉛直上方に配置され、空気供給部１２は燃料処理器２の底面よりも鉛直上方に配置されることより、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、燃料電池システム内を流れる水の凍結を防止し、水配管が破損することなく運転できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、都市ガスやＬＰガス等のインフラから供給される原料を水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理器と、燃料処理器で生成された水素を含む燃料ガスをアノードに、酸化剤ガスをカソードに供給し、電気化学反応により発電を行う燃料電池と、を備える。

燃料処理器で水素を生成するための水蒸気改質反応では、水蒸気を用いて化石燃料を改質することにより、その化石燃料から水素が生成される。そのため、燃料電池システムの発電運転の際、燃料処理器には、水蒸気を発生させるための水が供給される。つまり、燃料電池システムを用いて所定の電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において水の供給源を確保することが必要不可欠となる。

通常、燃料電池システムへ水を供給するための水の供給手段としては、水道が好適に用いられる。ただし、水道水中のカルシウムの堆積や塩素による配管の腐食等により、燃料電池システムの性能が経時的に劣化するため、これらの成分を除去する必要がある。そのため、従来の燃料電池システムには、イオン交換樹脂等を備える浄水器が設けられている。

しかしながら、イオン交換樹脂等を備える浄水器によれば、水に含まれるカルシウムや塩素等の成分を十分に除去することが可能であるが、使用時間に応じてイオン交換樹脂等の浄水性能が劣化する。つまり、このイオン交換樹脂等を用いる構成では、浄水器を頻繁にメンテナンスする必要がある。これは、燃料電池システムのランニングコストを悪化させる要因となる。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池で発電に伴って生成する水や、燃料電池や燃料処理器の加熱に利用される燃焼器から排出される水分を含んだガス（燃焼排ガス）を冷却して得られる凝縮水等を回収して利用する、水の自立供給形態が採られることが多い。

ところで、近年パッケージ型燃料電池発電装置という燃料電池システムが提案されている。この装置は、燃料処理器、燃料電池、電力変換装置や制御装置などをパッケージ化し、主として屋内設置を目的としたものである。パッケージ型燃料電池発電装置を運転するには、電気系の接続、パッケージの外部との配管接続、及びパッケージ内の換気が必要である。配管接続により、燃料処理器への燃料の供給、及び燃料電池発電で消費される空気の供給が必要となる。

外部から供給される空気は、燃料電池のカソードに発電反応用として使用される空気と、燃料電池のアノードからの排気に含まれる未反応の可燃性ガスを燃焼するための燃焼用空気として消費される。配管またはダクトにより、燃料処理器の排気と燃料電池のカソードの排気が排出される。

このようなパッケージ型燃料電池システムを屋内に設置する場合、前述したように、発電運転で消費する空気や、換気用空気を屋外より導入するための吸気ダクト、システム排気を放出するためのシステム排気ダクト、及びパッケージ内の換気用排気を屋外に放出するための換気用排気ダクトが必要となる。

そこで、吸気及び排気用ダクトを二重管ダクト構成として簡略化し、設置用スペースの削減と容易な設置作業を可能にしたパッケージ型燃料電池が提案されている。（例えば特許文献１）図７は特許文献１に開示されている燃料電池システムの構成図である。

図７に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、吸排気装置は、ダクト接続部１１５により、筐体１０１の上部に取り付けられた二重管ダクト１１０と、システム空気ダクト１０２と空気供給経路１０７と換気ファン１０５が取り付けられた混合ボックス１０６とを有する。

二重管ダクト１１０は、パッケージ型燃料電池発電装置が設置された建屋の壁１１６を貫通して屋外へ通じている。図７には詳細は図示していないが、二重管ダクト１１０の内管１１０ｂと外管１１０ａは、屋外において分岐装置で分岐されて、排気（１１１）が吸気（外部からの空気１１２）に吸い込まれないよう大気に開口している。

二重管ダクト１１０は、内管１１０ｂと外管１１０ａとにより環状の吸排気流路を構成している。二重管ダクト１１０の外管１１０ａから導入される空気１１２（屋外の新鮮な空気）は、システム空気ダクト１０２と空気供給経路１０７により、筐体１０１の内部で分岐される。

システム空気ダクト１０２は、空気フィルタ１０３を介してブロワ１０４に接続されている。空気フィルタ１０３は、システム空気ダクト１０２からの空気から粉塵等を除去して、ブロワ１０４に送出する。ブロワ１０４は、図には示されてないが、燃料処理器及び燃料電池にそれぞれ空気を供給する。

一方、空気供給経路１０７を通過する空気は、筐体１０１の下部に導かれて、空気供給部１０８より筐体１０１の内部に吹き出される。筐体１０１内の上部に配置された排気ファン１０５は、空気供給経路１０７により導入された空気１１３を吸引し、混合ボックス１０６に送り出している。

混合ボックス１０６は、排気ファン１０５による換気排気（空気１１３）と燃焼排ガス経路１０９を介して流入されるシステム排気１１４とを混合して、二重管ダクト１１０に送出する。混合ボックス１０６は、二重管ダクト１１０の内管１１０ｂに接続している。混合ボックス１０６からの混合排気１１１は、内管１１０ｂを通過して筐体１０１の内部から屋外に放出される。

特開２００６−２５３０２０号公報

しかしながら、従来（特許文献１）の構成では、屋外から取り込まれた空気１１２が、空気供給経路１０７を介して筐体１０１の下部に導かれて、空気供給部１０８より筐体１０１の内部に吹き出される。また、図７には示されていないが、燃料電池システムにおいて、燃焼処理器への改質用水供給や燃料電池の冷却水、あるいは、燃焼排ガスに含まれる凝縮水など水が不可欠なのは前述の通りで、メンテナンス時などの水抜き栓が筐体１０１下部に構成されていることが通例である。さらには、燃料電池システムは、発電に伴う排熱を回収して蓄熱することで給湯機能をもつことも一般的である。また、この排熱回収系の配管もメンテナンス時などの水抜き栓が筐体１０１下部に構成されていることが通例である。

このように、筐体１０１下部には水抜き用栓が集まり、且つ水配管も密集している。ここで、屋外の温度が氷点下のような低温時、屋外から取り込まれた空気１１２は、筐体１０１内の空気供給部１０８より筐体１０１の内部に導かれた時、その空気１１２は、氷点下のような低温で導かれる場合がある。空気供給部１０８が、筐体１０１下部に配置されていることにより、上記のような、水配管内の水が凍結し水配管が破損する課題があった。
また、同様に排熱回収配管が空気供給部１０８に近い場合は、排熱回収水が凍結するという課題も同時に有していた。

本発明は、上記課題を鑑みて、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、水配管が凍結せず、且つ排熱回収効率を低下させることなく運転できる燃料電池システムの提供を目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、筐体と、筐体の内部に配置され、原料ガスを改質することで水素含有ガスを生成する燃料処理器と、筐体の外部から筐体の内部に空気を供給する空気供給部と、燃料処理器で生成された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料処理器及び燃料電池の少なくとも一方で使用される水を流す水経路と、空気吸入口を有し、筐体内の空気を空気吸入口から筐体の外部または燃料処理器または燃料電池へと供給するブロワとを備えている。そして、水経路のうち少なくとも一部である凍結防止部は、ブロワの空気吸入口と略水平あるいは鉛直上方に配置され、燃料処理器の底面は、凍結防止部よりも鉛直上方に配置され、空気供給部は燃料処理器の底面よりも鉛直上方に配置されることを特徴とし、同時に水経路や排熱回収経路を燃料処理器を挟んで空気供給部の略対角に構成したことを特徴とするものである。

これによって、屋外から導かれた低温空気は、燃料処理器で暖められ、筐体下部に構成された水抜き栓へ向かう水排出経路の凍結を防ぐことができる。また、同様に排熱回収経路も凍結を防ぐことができる。

屋外の温度が氷点下のような低温時でも、燃料電池システム内を流れる水の凍結を防止し、水配管が破損することなく、且つ排熱回収経路も凍結することなく運転できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態６における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態７における燃料電池システムの構成図 従来（特許文献１）の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、筐体と、筐体の内部に配置され、原料ガスを改質することで水素含有ガスを生成する燃料処理器と、筐体の外部から筐体の内部に空気を供給する空気供給部と、燃料処理器で生成された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料処理器及び燃料電池の少なくとも一方で使用される水を流す水経路と、空気吸入口を有し、筐体内の空気を空気吸入口から筐体の外部または燃料処理器または燃料電池へと供給するブロワとを備えている。そして、水経路のうち少なくとも一部である凍結防止部は、ブロワの空気吸
入口と略水平あるいは鉛直上方に配置され、燃料処理器の底面は、凍結防止部よりも鉛直上方に配置され、空気供給部は燃料処理器の底面よりも鉛直上方に配置されることを特徴とするものである。

これにより、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、屋外から導かれた低温空気は、燃料処理器で暖められ、筐体下部に構成された水配管の凍結を防ぐことができる。

第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電に伴う排熱を回収する排熱回収配管を備え、排熱回収配管を、空気供給部の燃料処理器の略対角に構成されたことを特徴とするものである。

これにより、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、屋外から導かれた低温空気は、燃料処理器で暖められ、排熱回収経路の凍結を防ぐことができる。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明の燃料電池システムにおいて、空気供給部に供給される空気を流す空気供給経路と、筐体の内部から筐体の外部に空気を排出する空気排出経路と、をさらに備え、空気供給経路は同心二重管構造の外側を流れ、空気排出経路は同心二重管構造の内側を流れることを特徴とするものである。

これにより、燃料電池システムから排出される空気排出経路の内管と空気供給経路の外管との間で熱交換され、第１の発明及び第２の発明をより効率よく凍結防止できる。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明の燃料電池システムにおいて、空気供給部から供給された空気が燃料処理器に衝突するよう空気供給部を配置することを特徴とするものである。これにより、第１の発明から第３の発明をより効率よく凍結防止できる。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明の燃料電池システムにおいて、凍結防止部を加熱するヒータをさらに備え、ヒータは、燃料処理器の底面より鉛直下方に配置されることを特徴とするものである。これにより、ヒータから筐体内部に供給される空気へと熱を与えることで、第１の発明から第４の発明をより効率よく凍結防止できる。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明の燃料電池システムにおいて、空気供給経路から供給される空気の流量を制御する流量制御器をさらに備え、流量制御器は、燃料処理器の起動時は空気の流量を低下させることを特徴とするものである。これにより、燃料処理器の温度が低い起動時において筐体内部に供給される空気の流量を低下させることで、水排出経路の凍結を防止し、且つ排熱回収経路の凍結を防止することが可能となる。

第７の発明は、第６の発明の燃料電池システムにおいて、空気供給経路から供給される空気の温度を測定する温度測定器をさらに備え、流量制御器は、温度測定器で測定された温度が所定値以下のときは空気の流量を低下させることを特徴とするものである。これにより、外気の温度が低いときにおいて筐体内部に供給される空気の流量を低下させることで、凝縮水の凍結を防止し、且つ排熱回収経路の凍結を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。
図１に示すように、実施の形態１に関わる燃料電池システムは、筐体１と、筐体１の内部に配置され燃料処理器２と、燃料電池３、電力変換装置４、制御装置５、タンク６、ブロ
ワ７、空気フィルタ８、換気ファン１０を備える。

燃料処理器２は、原料ガス供給経路１６から、原料ガスを供給され内部で改質反応により、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料ガス供給経路１７から燃料電池３に供給される。また、燃料ガスは、燃料電池３から燃料ガス排出経路１８を経て、燃料処理器２へ燃焼用ガスとして取り込まれ、燃焼排ガス経路１４を経て、混合ボックス１３に排出され、換気空気７２と共に、混合ガス排気経路２６を通って屋外に排出される。

一方、システム空気７３は、空気吸入口（空気フィルタ）８を介してブロワ７に接続されている。空気吸入口（空気フィルタ）８は、システム空気７３の空気から粉塵等を除去して、ブロワ７に送出する。ブロワ７は、酸化剤ガス供給経路１９を介して燃料電池３に供給される。また、酸化剤ガスは、燃料電池３から酸化剤ガス排出経路（１）２０を介して、タンク６に送出され、酸化剤ガス排出経路（２）２４を通り、燃焼排ガス経路１４に導かれ、混合ボックス１３に排出され、換気空気７２と共に、混合ガス排気経路２６を通って屋外に排出される。

燃料電池３は、燃料処理器２から燃料ガスを取り込み、また、ブロワ７から酸化剤ガスを取り込み、化学反応で発電し、直流電力として電力変換装置４へ送られる。電力変換装置４は、直流電力を交流電力に変換して、系統電源へと送電される。

燃料電池３での発電による発熱を回収するため、冷却水をタンク６から冷却水供給経路２１を経て、燃料電池３に供給される。燃料電池３で熱回収した冷却水は、冷却水排出経路２２を経て、タンク６に戻される。燃焼排ガス経路１４で凝縮した凝縮水は、燃焼排ガス凝縮水経路２３を経てタンク６に取り込まれる。

タンク下部には、凍結防止部（水排出経路２５）が下方向に伸びてなり、筐体１内部のほぼ最下部の水抜き栓９へつながる。凍結防止部はブロワ７の空気吸入口（空気フィルタ）８と略水平あるいは、鉛直上方に配置され、燃料処理器２の底面は、凍結防止部よりも鉛直上方に配置されている。尚、本実施形態では、凍結防止部を水排出経路２５としているが、水排出経路２５に限定されるわけでなく、その他の水経路を凍結防止部としてもよい。

燃料電池システムの吸排気装置は、ダクト接続部８０により、筐体１の上部に取り付けられた空気供給経路１１と混合ガス排気経路２６と換気ファン１０が取り付けられた混合ボックス１３とを有する。空気供給経路１１と混合ガス排気経路２６は、パッケージ型燃料電池発電装置が設置された建屋の壁９０を貫通して屋外へ通じている。空気供給経路１１から導入される吸気空気７１（屋外の新鮮な空気）は、筐体１内へ導かれ、燃料処理器２の底面よりも鉛直上方に空気供給部１２が配置され、新鮮な空気を送出する。送出された空気は、燃料処理器２で暖められた後、２方向に分かれシステム空気７３として、空気吸入口（空気フィルタ）８へ導かれる。一方で換気空気７２として筐体内を上昇し、換気ファン１０により、混合ボックス１３に排出され、燃焼排ガスと共に、混合ガス排気経路２６を通って屋外に排出される。

これにより、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、屋外から導かれた低温の吸気空気７１は、空気供給部１２から筐体１内に取り込まれた直後に燃料処理器２で暖められ、分岐して、システム空気７３と換気空気７２となり、システム空気７３は、空気吸入口（空気フィルタ）８を介してブロワ７へと導かれ、換気空気７２は筐体内を上昇し、換気ファン１０へと導かれる。燃料処理器２の下部に構成された、水抜き栓９及び、水排出経路２５の一部はシステム空気７３にさらされるが、システム空気は十分暖められているため、凍結することはない。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。

図２に示すように、燃料電池３の発電に伴う排熱などを回収する排熱回収経路３２を備え、冷却水排出経路２２、酸化剤ガス排出経路２０、燃料ガス排出経路１８及び燃焼排ガス経路１４に備えられた各々の熱交換器３３がある。水は、水入口３４から入り、排熱回収経路３２を通り、各々の熱交換器３３で熱交換され、お湯として、湯出口３５から貯湯タンクへ導かれる。また、メンテナンス用に筐体下部に水抜き栓３０と水抜き栓３０と排熱回収経路３２をつなぐ排熱回収排水経路３１がある。

その排熱回収経路３２及び、排熱回収排水経路３１、水抜き栓３０は、空気供給部１２の位置から燃料処理器２の略対角に構成されている。

これにより、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、屋外から導かれた低温の吸気空気７１は、空気供給部１２から筐体１内に取り込まれた直後に燃料処理器２で暖められ、分岐して、システム空気７３と換気空気７２となり、システム空気７３は、空気吸入口（空気フィルタ）８を介してブロワ７へと導かれ、換気空気７２は筐体内を上昇し、換気ファン１０へと導かれる。排熱回収経路３２も凍結することはない。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。

図３に示すように、排気７０を排出する内管１５ｂと吸気空気７１を取り込む外管１５ａの同心二重管構造の二重管ダクト１５で構成されている。

これにより、燃料電池システムから排出される排気７０の内管１５ｂと吸気空気７１を取り込む外管１５ａとの間で熱交換され、実施形態１及び実施形態２をより効率よく凍結防止できる。

（実施の形態４）
図１〜図３は本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。

図１〜図３に示すように、空気供給部１２から供給された空気が燃料処理器２に衝突するよう空気供給部１２を配置している。これにより、実施形態１〜実施形態３をより効率よく凍結防止できる。

（実施の形態５）
図４は本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。
図４に示すように、水抜き栓９につながる水排出経路２５や、水抜き栓３０につながる排熱回収排水経路３１を加熱するヒータ４０をさらに備え、ヒータ４０は、燃料処理器２の底面より鉛直下方に配置されている。
これにより、ヒータ４０から筐体１内部に供給される空気へと熱を与えることで、実施形態１〜実施形態４をより効率よく凍結防止できる。

（実施の形態６）
図５は本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。
図５に示すように、空気供給部１２から供給される空気の流量を制御する流量制御器５０をさらに備えている。

これにより、燃料処理器２の温度が低い起動時において筐体１内部に供給される空気の流量を低下させることで、水抜き栓９につながる水排出経路２５や、水抜き栓３０につながる排熱回収排水経路３１の凍結を防止し、且つ排熱回収経路３２の凍結を防止することが可能となる。

（実施の形態７）
図６は本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成図を示すものである。

図６に示すように、空気供給部１２から供給される空気の温度を測定する温度制御器６０をさらに備え、流量制御器５０は、温度制御器６０で測定された温度が所定値以下のときは空気の流量を低下させるものである。これにより、外気の温度が低いときにおいて筐体１内部に供給される空気の流量を低下させることで、水抜き栓９につながる水排出経路２５や、水抜き栓３０につながる排熱回収排水経路３１の凍結を防止し、且つ排熱回収経路３２の凍結を防止することが可能となる。

以上のように、本発明の燃料電池システムは、屋外の温度が氷点下のような低温時でも、燃料電池システム内を流れる水の凍結を防止し、水配管が破損することなく、且つ排熱回収経路の凍結も防止することができるため、様々な形態の燃料電池システムに適用できる。

１ 筐体
２ 燃料処理器
３ 燃料電池
４ 電力変換装置
５ 制御装置
６ タンク
７ ブロワ
８ 空気吸入口（空気フィルタ）
９ 水抜き栓
１０ 換気ファン
１１ 空気供給経路
１２ 空気供給部
１３ 混合ボックス
１４ 燃焼排ガス経路
１５ 二重管ダクト
１５ａ 外管
１５ｂ 内管
１６ 原料ガス供給経路
１７ 燃料ガス供給経路
１８ 燃料ガス排出経路
１９ 酸化剤ガス供給経路
２０ 酸化剤ガス排出経路
２１ 冷却水供給経路
２２ 冷却水排出経路
２３ 燃焼排ガス凝縮水経路
２４ 酸化剤ガス排出経路
２５ 水排出経路
２６ 混合ガス排気経路
３０ 水抜き栓
３１ 排熱回収排水経路
３２ 排熱回収経路
３３ 熱交換器
３４ 水入口
３５ 湯出口
４０ ヒータ
５０ 流量制御器
６０ 温度制御器
７０ 排気
７１ 吸気空気
７２ 換気空気
７３ システム空気
８０ ダクト接続部
９０ 壁

Claims (7)

1. 筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、原料ガスを改質することで水素含有ガスを生成する燃料処理器と、
   前記筐体の外部から前記筐体の内部に空気を供給する空気供給部と、
   前記燃料処理器で生成された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料処理器及び前記燃料電池の少なくとも一方で使用される水を流す水経路と、
   空気吸入口を有し、前記筐体内の空気を前記空気吸入口から前記筐体の外部または前記燃料処理器または前記燃料電池へと供給するブロワとを備え、
   前記水経路のうち少なくとも一部である凍結防止部は、前記ブロワの空気吸入口と略水平あるいは鉛直上方に配置され、
   前記燃料処理器の底面は、前記凍結防止部よりも鉛直上方に配置され、
   前記空気供給部は前記燃料処理器の底面よりも鉛直上方に配置される、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電に伴う排熱を回収する排熱回収配管を備え、
   前記排熱回収配管を、前記空気供給部の前記燃料処理器の略対角に構成された、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記空気供給部に供給される空気を流す空気供給経路と、
   前記筐体の内部から前記筐体の外部に空気を排出する空気排出経路と、をさらに備え、
   前記空気供給経路は同心二重管構造の外側を流れ、前記空気排出経路は前記同心二重管構造の内側を流れる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記空気供給部から供給された空気が前記燃料処理器に衝突するよう前記空気供給部を配置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記凍結防止部を加熱するヒータをさらに備え、
   前記ヒータは、前記燃料処理器の底面より鉛直下方に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記空気供給経路から供給される空気の流量を制御する流量制御器をさらに備え、
   前記流量制御器は、前記燃料処理器の起動時は空気の流量を低下させる、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記空気供給経路から供給される空気の温度を測定する温度測定器をさらに備え、
   前記流量制御器は、前記温度測定器で測定された温度が所定値以下のときは空気の流量を低下させる、請求項６に記載の燃料電池システム。

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